杨培东:探寻纳米世界的美

2012年06月05日 04:28 中国科学报

杨培东,1971年8月出生于苏州,1988年考入中国科技大学应用化学系,1993年赴美国哈佛大学求学,1997年获哈佛大学化学博士学位。1999年至今,任美国加州大学伯克利分校化学系教授。2008年起,任中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所客座教授。2012年4月,当选美国艺术与科学院院士。

今年4月18日,美国艺术与科学院公布了2012年新增院士名单,加州大学伯克利分校化学系教授杨培东榜上有名。

40岁的杨培东是当今国际顶尖的纳米材料专家。今年5月23日,《中国科学报》记者在北京大学见到了这位著名的科学家。杨培东应邀在北大作关于“废热发电”的学术讲座。这是记者第二次见到杨培东。第一次是两年前,在美国加州大学伯克利分校。

杨培东给人的印象是沉稳干练,言谈举止中流露出自信。他讲话不紧不慢,思路清晰,善于把前沿而艰深的学术问题剖析得深入透辟。

谈到自己的成功,杨培东认为这归结于几个因素:刻苦工作,善于思考,锲而不舍,再加上名师指点。

书香童年

杨培东的父亲是一名医生,母亲是幼儿园教师。父亲对教育特别重视,鼓励他们多读书,曾订阅当时比较热门的《少年报》、《少年文艺》等培养孩子们的兴趣。如果杨培东在学习上取得了好的成绩,父亲的奖励就是几本新的少儿读物。

杨培东文理科都很好,初中时不仅在数学、物理、化学等奥赛上获奖,还在华东六省一市作文比赛上得过大奖。当时杨培东所在的苏州木渎中学“尖子”班,竞争十分激烈。杨培东每堂课听讲都十分认真,尽量把老师的每一句话都记在笔记本上。

杨培东性格很要强,什么事情都要努力做到最好。他回忆说,那时候体育课有一个项目是跳箱,长1.2米、宽0.4米、高0.9米的跳箱对于杨培东来说是一个“巨大”的障碍,一开始根本跳不过。但杨培东不服输。每次体育课下课之后,他都恳求老师把器材再留一会儿,让他多练一练。

中学毕业后,17岁的杨培东考上了中国科技大学应用化学系。1993年,杨培东从中国科技大学毕业,赴美国哈佛大学求学,专业仍然是化学,师从著名材料科学家查尔斯·利伯教授。4年后,获得化学博士学位。

“哈佛的学习生活对我的影响非常大。刚开始的时候并不容易,语言障碍是第一大难关。但是,等这个关闯过了,学习也就很轻松了。”杨培东说,“与此同时,很重要的一点是,我在哈佛学会了如何作研究。例如,怎样发现重要的科学问题,怎样设计方案解决问题等等。这些经验对于我以后开始独立的学术生涯非常必要。”

当《中国科学报》记者问及“谁对你的学术生涯影响最大”时,杨培东不假思索地回答:“是我在哈佛大学的导师查尔斯·利伯教授。他是个了不起的研究员和导师。我十分钦佩他。他是我真正的榜样。”接着,又补充道:“如果说我还有一点创新精神的话,这精神就是来自我的哈佛导师。”

从哈佛毕业后,杨培东到加州大学圣塔芭芭拉分校从事博士后研究。尽管博士后工作只持续了18个月,但这段经历对于杨培东的职业发展也十分重要。他说:“在圣塔芭芭拉,我是个博士后研究员,有充分的研究自由。我可以形成自己的想法,然后把它们转化为现实。这段时间是我发展独立研究技能的时期,对我后来的科研非常重要。”

1999年,28岁的杨培东获得加州大学伯克利分校的聘书,成为该校化学系的助理教授。6年以后,他被聘为化学系终身教授。

伯克利分校位于海边,校园风景优美,一湾之隔即繁华的旧金山,而伯克利小城却安详宁静,十分适合做学问。“我喜欢这所大学,因为这里有很好的学生、同事,一流的设备和舒适的气候。”杨培东说。

纳米世界

纳米领域的研究对象常常是精细如头发丝千分之一的金属线、晶体结构,或者微小如一只昆虫的神经环路,是人的肉眼所看不到的隐秘世界,而杨培东却醉心于探寻其中的美。

杨培东的研究重点始终是纳米线的合成,以及这种技术如何应用于发光二极管、激光器到晶体管、太阳能板等广泛领域。加入加州大学伯克利分校以后,杨培东在学术生涯上一帆风顺,发表了一系列重要的学术成果。

2001年6月,《科学》杂志报道说,杨培东的研究小组在纳米线上制造出世界上最小的激光器——纳米激光器,这一发明将有可能用于未来的光子计算机。这篇论文,奠定了杨培东在美国纳米研究领域的地位。

半年之后,杨培东的小组又在美国《纳米通讯》杂志上报告说,他们已成功地找到一种制造“多层结构”纳米线的方法,能够使硅和锗这两种不同的材料交织组成单根纳米线。

2003年4月,英国《自然》杂志刊登了杨培东研究组发表的单晶体氮化镓纳米管论文。这种纳米管性质稳定且耐久,有优良的光电性能。现有的电子器件,无论计算机器件还是激光器,依赖的都是二维的半导体接口。而杨培东小组则率先实现了二维半导体接口向一维的转换。同时,半导体接口的接触面积大大缩小。杨培东认为,从二维到一维这种维度的转换,将产生巨大的应用潜力,在计算机器件、光电器件、化学和生物传感器等领域,都将“占有很大的一席之地”。

两年后,杨培东又与合作者共同研发出世界第一个液体纳米晶体管,这将成为未来生化处理器的奠基性技术。

2010年,美国能源部公布了一项1.22亿美元的新能源研究计划,由加州大学伯克利分校和加州理工学院在未来5年里合作发展“人工光合作用”的环保能源技术。杨培东是研究团队的领导成员之一。美国能源部表示,选择这一研究团队是经过激烈的竞争,参与研究的科学家都是顶尖级别,将极大地促进这项“革命性”能源技术的开发。

杨培东向记者描绘了“人工光合作用”的前景:现在使用太阳能的方式主要是依靠硅材料太阳能板发电,而人工光合作用是把太阳能转换为氢气、甲醇或乙醇等化学燃料,直接用作汽车等机械的动力。目前全世界的能源近九成为燃油,如果能够开发出直接的替代品,可以降低人类对石油等不可再生资源的消耗。

除了作研究,杨培东还是纳米技术公司“NanosysInc.”和“AlphabetEnergyInc”的创始人之一,担任公司科技顾问委员。公司致力于将纳米技术转化到实际应用中去,实现工业化生产,目前运营情况良好。

杰出的科研成果也给杨培东带来很多荣誉。杨培东曾经获得阿尔弗雷德·斯隆奖、贝克曼青年研究员奖,以及2007年度美国全国科学基金会“艾伦·沃特曼奖”。“艾伦·沃特曼奖”每年只授予一位在科学或工程研究领域从事前沿工作的年轻科学家。成为该奖项候选人的前提条件是:年龄不能超过35岁,或者获得博士学位不到7年。科学基金会在颁奖词中说,杨培东在纳米线、原子组装等方面进行了“开创性研究”,这些研究有望应用于一系列高技术设备,如计算机电路、新型太阳能电池板以及生物传感器等。“艾伦·沃特曼奖”是杨培东科研生涯成功的标志之一。

因为一系列的成果和荣誉,2007年美国《科学》杂志撰文报道了杨培东,文章题目为“RapidRise”,意即“青云直上”。文章说,根据科学信息研究所的统计数据,以1995年至2005年论文引用次数而言,杨培东名列最顶尖的十名材料科学家之列,他的论文平均引用次数超过100次,几乎是仅居其次的科学家引用次数的两倍。

而根据汤森路透ISI公布的相关数据,近10年来,杨培东的工作在材料科学领域被引用的次数排名全球第一,在化学领域被引用的次数排名全球第十。

说起为什么能够获得这么多重要的学术奖项,杨培东向《中国科学报》记者解释:“这是因为我们在半导体纳米线方面作了始创性的研究,尤其是在光学和能量转换方面。我们是领导这个领域的为数极少的研究组。”

薪火相传

2011年6月,以杨培东名字命名的“培东班”在苏州木渎中学成立。“培东班”是杨培东的两所母校中国科技大学与苏州木渎中学联合创立的,希望借此探索中学教育与大学教育的有机衔接,培养出更多的“杨培东”。中国科技大学对“培东班”进行指导和监督,并不定期指派专家、教授到木渎中学进行授课、举办讲座。

培东班揭牌时,杨培东亲自出席并为学生们作了一次报告会。此后,尽管工作繁忙,杨培东依然通过网络随时关注培东班的情况,还经常通过电话与师生们交流。

虽然大部分时间在美国,杨培东仍与中国纳米领域的科研人员有着密切的交流。2008年,应中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所之邀,杨培东出任客座教授,同时负责组建并领导一个国际合作实验室,经常在中美两国之间奔波。

谈到自己的科研经验,杨培东认为,对于科研来说最重要的是创新,只有创新才能把研究不断推向前进,才能作出前人没有作过的成果,创新是科研的生命。

在美国学习、生活了20年,杨培东对中、美两种文化都有着深入的了解和切身的体会。他认为对于外国人来说,美国的职场并不存在所谓的“玻璃天花板”,只要你有能力,而且作出成绩,就能获得相应的地位与肯定。而中国,随着近年来不断地改革与发展,社会环境也越来越好,“没有感觉到两国之间有太大的差异。”他说。

虽然杨培东在学术研究领域已经“功成名就”,但依然勤奋,每天都要工作十三四个小时。杨培东最大的“业余爱好”是陪女儿散步。提起7岁的女儿,杨培东的脸上情不自禁地露出微笑。